承压水开采设计.doc

承压水开采设计。煤业有限公司二一三年二月审 批 意 见审批单位职务姓名意见建设单位矿 长总工程师生产矿长机电矿长安全矿长矿长助理安全副总技术副总机电副总开拓副总调 度 室安 监 科机 电 科生 产 科通 风 科地 测 科大同矿建项目经理生产经理安全经理技术负责人温州二井项目经理生产经理安全经理技术负责人监理单位负 责 人会 审 意 见目 录第一章 概 况1第二章 承压开采安全性分析2第一节 煤层顶底板岩石工程地质特征2第二节 煤层底板破坏深度及导水情况分析3第三节 带压开采分区3第三章 带压开采防治水工作方法7第一节 水害隐患的探测预报及常规地质工作方法7第二节 井下防水煤（岩）柱留设14第三节 导水断裂构造的注浆加固20第四节 优化工作面开采设计控制底板采动破坏21第四章 探放水设计24第一节 设计思路24第二节 探放承压水技术要求25第五章 承压水条件下施工的安全技术措施28第一节 成立承压水条件下施工的防治水领导机构28第二节 具体的安全技术措施30 附 图： 附图1 承压探放水钻孔剖面示意图 附图2探水装置示意图 附图3 放水结构示意图 附图4 双套管结构示意图 附图5 井田2#煤层带压开采示意图 本承压水开采设计的编制依据为2、10号煤层奥灰岩溶水带压开采安全性评价报告，由陕西省煤田地质局一三一队提供。第一章 概 况 本矿井设计2#煤层的开拓水平标高为+1075m，2#煤层开采的最低标高在+890-1200m左右，而奥陶系岩溶水静水位标高为903915m，煤层底板最大奥灰水承压水头为1.31MPa，属低带压开采水平。为了安全施工，本着“有掘必探、先探后掘”的原则特编制本设计进行巷道的探放水工作。本矿下伏奥陶系峰峰组岩溶裂隙含水层为煤层底板第一个间接底板充水的主要含水层，其水压值较大，但井田内02f含水层富水性弱，即使发生突水，其涌水量也相对较小。井田内下部10#煤层底板隔水岩柱以砂质泥岩、泥岩、灰石岩和铝质泥岩相间出现为特征，岩层软硬相间，为柔性、硬脆性、可溶硬脆性三类岩石的组合。本溪组底部铝土岩在区内分布较为稳定，在正常岩层地段铝质泥岩稳定存在对防止底板奥灰突水突出具有非常重要的意义。2#煤层底板奥灰水隔水岩柱厚度一般为121.12m，沉积岩厚度比较稳定,10煤层底板奥灰水隔水岩柱厚度一般为41.09m,沉积厚度比较稳定。在正常的岩层地带，本溪组底部的厚层铝土岩的隔水作用较为明显，只要铝土岩完整存在，在天然状态下是不会有岩溶水导升的。全矿2#煤层底板隔水能力较为稳定，相对而言底板抗水压能力较强，大部分地段可以安全开采。2#煤底板隔水岩柱的岩性组合，隔水抗水能力及峰峰组岩溶承压含水层水文地质特征的基础上，认为矿突水与隔水层厚度、水头压力、构造破坏深度及岩溶水的导升高度有关。综合以上因素本次报告分区评价结果如下：1、非带压区（I）：煤层底板标高在904m以上的区域。突水系数为0。2、带压开采相对安全区（II）：2、10#煤层主要分布于西北部突水系数0.06MPa/m的区域，可带压安全开采。（详见附图5）第二章 承压开采安全性分析第一节 煤层顶底板岩石工程地质特征 一、矿井开采方法及顶板管理本矿批准开采2-11号煤层，设计生产能力120万t/a。据本矿开采设计，2号煤层采用长壁式（走向或倾斜）一次采全高综合机械化采煤方法，支护选用ZZ3000/12/28型液压支架支护顶板，采用全部垮落法管理顶板，顶底板较易维护。 二、煤层顶底板岩石工程地质特征 据山西省第三地质工程勘察院2009年12月提交的山西省河东煤田蒲县磨石洼井田勘探地质报告中的ZK03号钻孔及2001年1 2月提交的山西省蒲县刁口煤矿区详查地质报告中的ZK4号钻孔煤层顶底板岩石力学试验资料，根据GB12719-91按照岩石单向极限抗压强度分级标准可知：2号煤层顶板属半硬的-坚硬的岩石，底板属半硬的岩石；10号煤层顶板属坚硬的岩石，底板属软弱的-半坚硬岩石。第二节 煤层底板破坏深度及导水情况分析 全区含煤11层，其中可采煤层是2号和10号煤层；为全区可采煤层，其它煤层为不可采煤层。 根据煤层赋存特征，设一个水平开拓全井田2号煤层，水平标高为+1075m。2号煤层共划分为4个采区。首采区位于井田中东部，布置两个综采放顶煤工作面，达到矿井的设计生产能力。10号煤层未设计开采。以矿井补充勘探地质报告中提供的井田奥灰水位标高903915 m，作为本次评价批采2号煤层带压开采的水位。 对2号煤层奥灰水承压开采安全性进行分析，井田内批采的主采2号煤层底板标高在890-1200m之间，全井田煤层开采部分面积位于奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层水位之下，2号煤底板到奥灰岩顶面的距离为llO-130m，算术平均值为121m。 根据综合柱状图、钻孔资料和井下实测掌握的带压开采数据，对矿井2号煤层的底板突水做了较详细的水文地质分析，并编制了2号煤层底板奥灰水承压开采分区图，为矿井向北西部延伸的安全承压开采提供了预防突水的水文地质依据。第三节 带压开采分区 一、突水系数计算有关参数的确定 1岩溶含水层的水头压力 根据02岩溶水等水位线图内插而得。 2隔水岩柱的厚度取2、10号煤底板至奥陶系峰峰组含水层顶面之间的隔水完整岩 层厚度。来源于钻孔资料，全井田仅ZK02见02f。 3岩溶水的导升高度 本区由于在02f顶面有一层厚约5.21-19.06m，平均为10.23m的铝土泥岩和其他岩层，在正常地带，本溪组底部的厚层铝土岩的隔水作用较为明显，只要有铝土岩的完整存在，在天然状态下不会有岩溶水导升，即：h2=Om；断层带的奥灰水导升高度参考值取h2=29.6m（山西省第一水文地质队1989年西峪煤矿水文地质勘探采用数值）。依据煤矿防治水规定中的突水系数公式：T=PM 式中：T-突水系数，MPa/M； P-隔水层承受的压力，MPa； M-底板隔水的完整煤岩层厚度，M； 按此公式计算的底板受构造破坏块段突水系数一般不大于0.06 MPa /M，正常块段不大于0.10 MPa /M。 由于本矿的底板隔水层厚度较厚，考虑到隐伏构造的存在，本次分区指标确定为：正常块段突水系数小于0.06MPa/M的区域为安全区域；正常块段突水系数大于0.06MPa/M、小于0.10MPa/M的区域划为过渡区域或相对安全区域。 二、突水系数的计算 根据以上各参数的选取钻孔所处地段及2、10号煤层最低点计算2、10号煤层开采奥灰水突水系数。 井田内2号煤层奥灰水带压开采的最大突水系数为0. O1MPam，小于正常地段突水系数0.lOMPam，也小于受构造破坏块段突水系数的临界值0.06MPam，故井田内可以奥灰水带压开采2号煤层。井田内10号煤层奥灰水带压开采的最大突水系数为0. 03MPa/m，小于正常地段突水系数0.lOMPa/m，也小于受构造破坏块段突水系数的临界值0.06MPa/m，故井田内可以奥灰水带压开采10号煤层。 三、奥灰水带压开采分区 在系统分析矿区已采区地质构造发育规律，2、10号煤底板隔水岩柱的岩性组合，隔水抗水能力及峰峰组岩溶承压含水层水文地质特征的基础上，认为矿井突水与隔水层厚度，水头压力，断裂破坏程度，矿压破坏深度及岩溶水的导升高度和富水性有关。综合以上因素，依据煤矿防治水规定，带压开采参照突水系数进行综合分区。 1带压开采分区指标 (1) 构造发育程度分区 由于本矿井共揭露了10条正断层，因此，发育程度分区主要以陷落柱、断层发育规模为划分指标。根据井田内断层和陷落柱发育特征，对奥灰水带压开采安全影响较大的是904m标高以下的陷落柱或隐伏断层发育区域为复杂区，其他地段为矿井构造发育简单区。 (2) 突水系数分区依据煤矿防治水规定、参照突水系数计算结果，结合本区实际情况进行划分。根据断裂发育程度采用两个分区标准：在构造简单区选取0.06MPa/m做为划分标准，大断裂（落差大于30m）、隐伏陷落柱附近一定范围可以作为相对安全医或复杂区，比相对简单区划分的区域再提高一个标准。 (3) 奥灰水带压开采分区 参照计算的突水系数值，对全井田开采区域2号煤层共划分为2个区，即带压开采安全区和非带压开采区，在带压开采安全区存在的情况下，2号煤层开采发生底板奥灰岩水突水的可能性较小。对全井田开采区域共划分为2个区，即带压开采安全区和非带压开采区，在带压开采安全区存在的情况下，10号煤层开采发生底板奥灰岩水突水的可能性较小，但要做好防排水准备工作。 1、非带压区：煤层底板标高在904m以上的区域。突水系数为0。 2、带压开采相对安全区：2、10号煤层主要分布于北西部突水系数0.06MPam的区域，可带压安全开采。 如前所述，构造破坏了隔水底板的完整性，降低了隔水层厚度和抗隔水性能，成为底板突水的潜在通道，是最容易发生突水的区段，也是矿井防治水的重点，必须按要求留设防水煤柱或采取其它加固措施。 矿井应采用物探方法探测井田内带压区域的隐伏断层和陷落柱，落差较大的断层和陷落柱要留设防隔水煤柱或事先加固、探放。 所以，视实际情况，在带压区域有针对性地进行物探和钻探，查明带压开采区域内奥灰岩的水文地质待征，尤其是其含水性和导水性，为带压开采提供较为准确的参考数据。第三章 带压开采防治水工作方法 煤矿防治水必须坚持“预测预报、有掘必探、先探后掘、先治后采”的原则，并结合矿井或采区的具体水文地质条件，选用一种或几种方法进行综合治理。第一节 水害隐患的探测预报及常规地质工作方法通过矿井水害特征和充水因素的分析发现，本矿井带压开采充水途径是导水断裂构造，加强导水断裂构造的探测预报是矿井防治工作的重点。本矿井1075m水平上山方向的2号煤层已开采，揭露了10条断裂构造，断裂构造的富水性、导通上部含水层水的性能较好，最大渗流水量约20m3h。所以，对于断裂构造垂向上、下部隔水、导水性能的变化要认真探查研究。由于煤层底板隐伏导水构造由于具有潜藏隐蔽性，突水具有突发性和滞后特征，要特别关注，并采取相应的探测、预警力法。 根据本矿井实际情况，应依托采掘巷道采取井下物探的方法进行带压区域隐伏断裂和断裂富水性的探查，如井下瞬变电磁法、音频电法、直流电法等。采用留设防水煤柱、注浆加固构造带或调整采掘工作面宽度，从而控制底板采动破坏深度等方式预防水害发生。 今后工作中加强井下物探工作，积累总结本区物性特征，提高解疑水平，更好地为矿井防治水工作服务。 此外，应加强各工作面的井下水文地质观测工作，特别应注意陷落柱和断层构造的观测，井巷出水点的观测以及矿井涌水量的观测，及时分析研究陷落柱和断裂带涌水量变化规律，为本区的突水预测、预报积累资料，特别应注意观测“陷落柱和断裂带延迟滞后性出水。一、井下探放水1探水目的探水系指采矿过程中用超前探查方法，查明采掘工作面顶底板、侧帮和前方的含水构造（包括陷落柱）、含水层、积水老窑等水体的具体位置、产状等，其目的是为有效的防治矿井水害做好必要的准备。 2探查断层水原则 凡遇下列情况必须探水： (1)采掘工作面前方或附近预测有含（导）水断层存在，但具体位置不清或控制不够严密时。(2)采掘工作面前方或附近预测有断层存在，但其位置含（导）水性不清，可能突水时。探水线至断煤交面线的最小距离不得小于20m，水压大于2MPa时应按每增加0.1Mpa增加0.5-1m。对于水压大于2Mpa，中间要穿过煤层的探断层水钻孔，在打穿断层或含水层前，还应在第二层孔口管并超过煤层1m以上。 （3）采掘工作面底板隔水层厚度与实际承受的水压力都处于临界状态（即等于安全隔水层厚度和安全水压的临界值），在掘进工作面前方和采面影响范围内，是否有断层情况不清，一旦遭遇很可能发生突水时。(4)如果断层已为巷道揭露或穿过，暂时没有出水迹象，但由于隔水层厚度和实际水压已接近临界状态，在采动影响下，有可能引起突水，需要探明其深部是否已和含水层连通，或存在底板水的导升现象。(5)井巷工程接近或计划穿过的断层浅部不含（导）水，但在深部有可能突水。(6)根据井巷工程和留设断层防水煤柱等的特殊要求，必须探明断层时。(7)采掘工作面距已知含水断层60m时。(8)采掘工作面接近推断含水断层lOOm时。在探放断层导水性钻孔的布置和施工中，应注意下面一些问题：(1)钻进时，发现煤岩松软、片帮、来压或孔中的水压、水量突然增大，以及有顶钻等现象时，必须立即停钻，记录其孔深并同时将钻杆固定。要立即向矿调度室汇报，及时采取措施，进行处理。 (2)对水压大于lMPa的断层水、陷落柱水或强含水层水，不宜沿煤层布置探放水钻孔。必需执行煤矿防治水规定中的有关要求。(3)应做到交接班时不停钻。(4)探放断层水的探水孔终孔后，孔内有水应进行放水试验。孔内无水时应选择一个孔进行压水试验，检验断层隔水性能；压力一般应略大于断层所承受的静水压力。(5)探放水钻孔，完成探测任务后必须全孔注浆封闭或留作导水观察孔，并做好封孔记录。3、探放陷落柱水在煤层底板下伏巨厚层状碳酸盐岩充水含水层组的华北型煤田，由于导水岩溶陷落柱的存在，使某些处于上覆地层本来没有贯穿煤系基底巨厚层状碳酸盐岩强充水含水层的中、小型断层或一些张裂隙，成为了水源补给充沛、强富水的突水薄弱带。井巷工程一旦触及这些薄弱带，将不可避免地引发突水或淹井事故。若导水岩溶陷落柱本身直接突水，其后果就更为严重。但是，并非所有的岩溶陷落柱均导水。从现有调查资料来看，导水岩溶陷落柱使煤矿井水文地质条件复杂化主要表现为以下几个方面：（1）使不同地段井巷涌（突）水水量大小相差悬殊，在导水岩溶陷落柱附近，涌（突）水一般比较集中，且水量长期稳定。(2)由于岩溶陷落柱的强烈补给，煤层顶、底板充水含水层往往会出现局部高水位的异常区。(3)由于导水岩溶陷落柱的存在，煤层顶、底板充水含水层地下水的水质差异表现的不明显，基本属于同一类型。(4)煤矿井涌（突）水水量增长迅速。在探放岩溶陷落柱导水性钻孔的布置和施工中，应注意下面一些问题：(1)水压大于2MPa/m的岩溶陷落柱原则上不沿煤层布孔，而应布设在煤层底板岩层中，因为沿煤层埋没的孔口安全止水套管，很可能被高承压水突破。 (2)孔口安全装置和安全注意事项与探高压断层水的钻孔要求相同。 (3)要提高岩心采取率，及时进行岩心鉴定，作好断层破碎带和岩溶陷落柱的分辨工作，编制好水文地质图表。(4)严格执行钻孔验收和允许掘进距离的审批制度。 (5)监测并记录孔内水压、水量和水质的变化，发现异常应加密或加深钻孔，争取直接探到岩溶陷落柱。(6)探到岩溶陷落柱无水或水量很小时，要用水泵进行略大于区域静水压力的压水试验，以便进一步检验其导水性。同时要向其深部布孔，了解深部的含（导）水性和煤层底板强岩溶充水含水层的原始导升高度。 (7)钻孔探测后必须注浆封闭，并作好封孔记录，注浆结束压力应大于区域静水压力的1.5倍。 二、工作面的水情监测 奥灰水突水前的征兆：奥灰水突入巷道之前，一般都会有个过程，这个过程有的很短，几小时至一两天，有的则是开拓后半月、数月甚至更长。从开拓至奥灰水突出，总有一些现象显示，这些现象就是突水的征兆。如突水点或附近矿压明显加大；巷道产生底鼓底裂，岩层发出破裂声；有嘶嘶水叫声；帮壁突见水珠及淋水加大；煤帮松软发潮；迎面突然变冷出现水雾；顺断层炮眼或探水钻有小股水流涌出以及水中夹杂岩石喷出物等。最直接的出水征兆就是探到了突水水源，但要认清危害性突水水源，还得掌握其特有的辩认指标。切实掌握征兆和据以提出及时的防范措施，常常可起到化险为夷的作用。回采工作面承压岩溶水的突出一般多发生在回采面的边界地段，这个地段由于开采活动，应力最为集中，一旦遇到导水断层，承压水既可突出。特别是在周期性来压的过程中，隔水层失效就可能造成承压底板水顺断裂突出，矿压对突水起着诱发作用。根据底板岩溶承压水发生过程，可划分为突发、缓发、滞发三种形式。有人将突发性突水称为“一炮出水”，即采掘面上随着放炮岩溶水立即涌出，水势凶猛，且突水量的高峰也随即出现，冲击力强，底板和突水口破坏明显而通畅。一般发生于突水水源附近，突水口多为坚硬岩层，水压起着主导作用。缓发性突水从出水开始，水量缓慢增大，最大突水量的出现时间可以是几十小时几天或更长时间。此类突水多发生于采煤工作面。滞发性突水多发生在已经废弃的老塘或开拓已久的巷道，发生时间往往在开拓后的数月或半年以上，其特点是采掘过程中并无突水迹象，久后意外发生突水。三、 矿井地质技术手段1、传统的罗盘、皮尺和地质锤，在日常的地质调查中，仍然是必不可少的简单易行的手段。2、井下钻探：井下钻探是地质工作常用的一种重要勘探手段，力求获得可靠的生产地质资料。它能利用井下巷道就近施钻，快速查清断层、陷落柱和采空区积水的赋存情况，为生产提供准确的地质资料，及时指导生产采取措施，也可以探明下伏煤层及层间距厚度的变化情况。3、巷道工程：凡是利用钻探不能取得必须地质资料或虽可以钻探，但经济上不合理时，可利用生产中提前开掘的巷道布置各类探巷，获取最佳的地质效果，这可以较好地解决生产地质问题。四、矿井地质资料的编录资料的编录是搞好矿井地质最基本最主要的工作，必须坚持现场观测和综合分析并重的原则。1、在工作面开掘前，根据已有的地质资料及邻近采区资料进行综合分析，编绘工作面开掘地质说明书，施工巷道预测剖面图，并对地质构造、水文情况、煤层厚度及其顶、底板岩性厚度变化等进行分析预测。2、开掘过程中，及时观测收集地质及水文地质资料，分析预测影响回采工作面连续推进的断层、褶曲的形态和陷落柱赋存情况，经测定实际的地质构造的位置、产状按规定填绘到台帐、卡片和图纸上，并及时提出合理的处理意见。存在水害隐患时，严格按照“有掘必探，先探后掘”的原则进行探放水。3、工作面形成系统后，利用物探、钻探等手段，验证预测资料的准确程度，查明工作面内地质构造，并在贯通后五天内提出回采地质说明书交生产部门使用。4、回采过程中，及时收集工作面采高和煤厚资料，实测各类地质构造的位置、形态和性质，对影响生产的各类构造跟踪观察，分析研究其延展趋势，及时提出预测预报。5、工作面回采结束后，全面汇集本工作面在掘进和回采阶段的有关地质资料，对预测资料及各种地质因素作进一步的综合分析，总结本工作面及附近区域主要地质规律，并在30天内编制工作面采后总结。开拓巷道及时编制巷道实测剖面图。第二节 井下防水煤（岩）柱留设近水体采煤时，必须严格控制对水体的采动影响程度。按水体的类型、流态、规模，赋存条件及允许采动影响程度，将受开采影响的水体分为不同的采动等级。对于不同的采动等级的水体，必须采用留设相应的安全煤岩柱的措施。根据建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程表4的划分，该矿井煤系地层下伏含水层为巨厚灰岩强含水体，不允许底板采动导水破坏带波及水体，或与承压水导升带勾通，并有能起到强阻水作用的有效保护层。水体采动等级为I，要求留设的安全煤岩柱类型为底板强防水安全煤岩柱。一、防水煤（岩）柱的类型及留设原则在水体下、含水层下、承压含水层上或导水断层附近采掘时，为防止地表水或地下水溃入工作地点，需要留出一定宽度或高度的煤（岩）层不采动，这部分煤（岩）层称为防隔水煤（岩）柱或防水煤（岩）柱。根据防水煤（岩）柱所处的位置，可以分成不同类型。常用的防水煤（岩）柱类型：断层防水煤（岩）柱，井田边界煤柱，水淹区防水煤（岩）柱，地表水体防水煤（岩）柱，冲积层防水煤（岩）柱。防水煤（岩）柱的留设原则如下：1)在有突水威胁但又不宜疏放（疏放会造成成本大大提高时）的地区采掘时，必须留设防水煤（岩）柱。2)防水煤柱一般不能再利用，故要在安全可靠地基础上把煤柱的宽度降低到最低限度，以提高资源利用率。为了多采煤炭，充分利用资源，也可采后充填、疏水降压、改造含水层（充填岩溶裂隙）等方法，消除突水威胁，创造少留煤柱的条件。3)留设的防水煤（岩）柱必须与当地的地质构造、水文地质条件、煤层赋存条件、围岩的物理力学性质、煤层的组合结构方式等自然因素密切结合，还要与采煤方法、开采强度、支护形式等人为因素互相适应。4)一个井田或一个水文地质单元的防水煤柱应该在它的总体开采设计中确定，即开采方式和井巷布局必须与各种煤柱的留设相适应，否则会给以后煤柱的留设造成极大的困难，甚至无法留设。5)在多煤层地区，各煤层的防水煤（岩）柱必须统一考虑确定，以免某一煤层的开采破坏另一煤层的煤（岩）柱，致使整个防水煤（岩）柱失效。6)在同一地点有两种或两种以上留设煤（岩）柱的要求时，所留设的煤（岩）柱必须满足各个留设煤（岩）柱的要求。7)对防水煤（岩）柱的维护要特别严格，因为煤（岩）柱的任何一处被破坏，必将造成整个煤（岩）柱失效。防水煤（岩）柱一经留设即不得破坏，巷道必须穿过煤柱时，必须采取加固巷道、修建防水闸门和其它防水设施，保护煤（岩）柱的完整性。8)留设防水煤（岩）柱所需要的数据必须在本地区取得。邻区或外地的数据只能参考，如果需要采用，应适当加大安全系数。9)防水岩柱中必须有一定厚度的粘土质隔水岩层或裂隙不发育、含水性极弱的岩层，否则防水岩柱将无隔水作用。二、防水煤（岩）柱留设1断层煤柱的留设据不完全统计，煤矿底板突水50%以上与断层有关，焦作矿区为58%，峰峰矿区为74%，淄博矿区为73%，肥城矿区为63%由于断层留设的防水煤柱不足，甚至不留设防水煤柱而造成大型突水的例子屡见不鲜。例如肥城矿区从1 9 6 5年开采太原组煤层以来，共发生底板突水200余次，其中水量大于lOOOm3h的7次，淹6个矿（井）。这7次大型突水中，有5次是由于断层位置不清煤柱留设不足造成的。留设的防水煤柱必须留足，留设不足的防水煤柱，易造成矿山压力的集中，煤柱会破坏，抗水压能力降低，在水压矿压联合作用下很容易片帮、冲垮而造成突水。开采防水煤柱，特别是大断层的防水煤柱是一个极其危险的做法。防隔水煤（岩）柱的留设：按照煤矿防治水规定附录中的相关规定留设。如前文所述，本区主要断裂天然状态下富水性弱，但对其隔水能力研究较少，尚不能排除在采掘条件下，由于矿压和奥陶系岩溶水强大水压力作用而发生破坏，成为导水通道。因此，本区按其为导水断裂留设防水煤柱。2断裂上升盘防水煤柱的留设(1)在断裂的上升盘区，防水煤柱的宽度不仅要考虑断层水顺煤层方向的压力，还必须考虑采动裂隙带与导水断层之间隔水岩柱的厚度，防水煤柱可按图8-la留设，其计算公式为： L=L1+L2+L3 =H安cse+H裂cse+H裂cse （1）式中：L防隔水煤柱宽度(m)，L1、L2、L3为分段宽度； H裂 最大导水裂隙带高度（m）； 断层倾角（）； 岩层塌陷角（）； H安 导水裂隙带至含水层间防水岩柱的厚度（m）。 H安值应根据矿井实际观测资料来确定，受资料条件所限，可以采用以下公式计算： H安 =P/Ts+10 (2) 式中：P防水煤柱所承受的静水压力(MPa)； Ts临界突水系数(MPa/m)，本次报告编制采用0.6 MPa/m； 10保护带厚度（一般取lOm）oH裂值根据建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程附录六提供的公式计算。 本煤矿2号煤层厚1.lO2. 84m，平均1.52m。煤层顶板为泥岩、砂质泥岩、砂岩，底板为泥岩、粉砂岩、细砂岩。煤层直接顶板较松软，裂隙发育，为中等稳定顶板，底板为粉砂岩。(2) 承压水由断层或断层彼侧的强含水层直接突破煤层而进入采区，其防治的办法是紧靠断层带沿煤层这一侧留设防水煤柱其计算公式如下： 式中：L煤柱宽度(m)； M煤层厚度或采高(m)； Kp在断层带附近的煤层抗张强度(MPa)； P作用于煤柱的静水压力(MPa)； K安全系数，一般取25。K大小的选择应考虑以下几个因素：一是根据对断层位置的控制程度、对断层带充填情况、两侧有无导水的羽状裂隙带及其宽度的了解程度；二是Kp值的可靠程度；三是适当考虑一下煤层开采时，可能对煤柱的破坏情况。本矿计算安全系数取4。 本井田以往无煤层的抗拉强度(Kp)测试资料，本次报告选用紧邻的其它矿的测试资料进行计算。今后应有本矿的煤岩层抗拉强度(Kp)测定值。由计算可知顺煤层方向防水煤柱尺寸小于考虑顶板采动裂隙带导水因素留设的防水煤柱。本矿井也是依据该公式对设计开采的采掘工作面与F1-F4断层之间的煤柱最小尺寸进行的计算，并按该尺寸大致留设。本报告结合实际情况对断层工作面防隔水煤柱的实际尺寸核算结果如下：位置LKMPKp断层附近7.0732.840.460.5 核算的结果是断层防隔水煤柱均在50m左右或以内，可以满足安全开采，但在回采前还要进一步核实断层的含导水情况，确定是否在初采期间放顶煤或不放顶煤开采。3断裂下降盘防水煤柱的留设在断裂的下降盘区，防水煤柱的留设主要考虑两个方向上的压力，一是煤层底部隔水层能否抗住下部含水层水的压力；二是断层水在顺煤层方向上的压力。当考虑底部压力时，应使煤层底板到断层之间的最小距离（垂距）H安，大于安全煤柱的高度(L)的计算值，并不得小于20m。计算公式为：2陷落柱煤柱的留设本煤矿陷落柱和断层都不太发育，断层落差不大，落差5-18m左右的正断层，1个陷落柱，但不排除其它隐伏大断层和陷落柱的存在。根据本省和本矿开采经验，陷落柱大多数不含水也不导水，但是也不能忽视个别陷落柱导水和突水的可能。本次报告对于陷落柱防水煤柱留设建议如下：在带压开采区域，对于采区中部的陷落柱建议采用井下物探和钻探的方法进行探查研究的基础上，对于隔水性能好的陷落柱，可以不留设煤柱直接回采；对于隔水性能较差有突水危险的陷落柱，在进行注浆加固后进行回采。位于采区边界断层附近的陷落柱，应在查明其含水和导水性的基础上，结合断层煤柱综合考虑直接穿过或留设煤柱。在带压开采危险区，应在详细探查的基础上，进行注浆加固或留设煤柱后方可开采，一般不宜直接开采穿过。第三节 导水断裂构造的注浆加固如前所述，本矿井2号煤层大部分区域不带压，仅北西部分区域带压，而井田内2煤层底板隔水层厚度均大于计算的煤层开采对底板的破坏深度。底板突水的可能主要位于陷落柱和断裂构造附近。陷落柱和断裂构造的导水、隔水性能直接关系到带压开采的安全。在导水陷落柱和断裂构造的注浆加固中，应注意下面一些问题：(1)在探水过程中发现导水断层、裂隙或陷落柱时，应做放水或压水试验。(2)确定注浆方案前必须查明断裂构造位置及发育特征。(3)注浆加固工程应编制专门的注浆设计，明确注浆目标。根据放水、压水试验结果，确定注浆孔的布置和注浆工艺。(4)用于注浆的井下钻孑L均应按探放水钻孔的规定进行设计和施工。(5)注浆后应打检查孔，验证注浆质量，并进行注水试验。检查孔的分布应能全面检验注浆效果。注水试验的压力不得低于含水层的静水压力。经注水试验检查注浆有效，方可揭露导水断裂。经注永试验证明注浆未达到要求时，应查工艺和注浆孔的布置重新注浆，在布置新的注浆孔时，应尽量利用注浆改造充填导水裂隙是防治底板突水的重要技术手段。但必须注意，这一方法不宜用于隔水底板的正常厚度小于临界厚度时的突水。否则堵了这里，又在那里突，以致堵不胜堵，最终还是无济于事。第四节 优化工作面开采设计控制底板采动破坏我国是世界上第一产煤大国，也是世界上煤矿水害最为严重的国家。据统计，自1 955年以来，全国共发生较大的煤层底板突水1282次，淹井230多次，死亡10800多人，经济损失高达400多亿元人民币。尽管煤矿死亡事故总体上在逐年下降，但煤矿水灾死亡事故却在逐年上升。单次水害死亡率也有上升的趋势，2002年单次水害平均死亡人数为4.74，2003年为5.77，上升了21。大采深高承压水上开采引发的另一个新的水文地质问题是陷落柱突水。陷落柱是我国华北型煤矿突水的最强的通道之一，然而当水压较小时陷落柱导水的问题并不严重，陷落柱往往不导水。但随着矿井向深部延伸，水压逐渐变大，部分陷落柱的导水性也将逐渐增强，当达到一定的程度时，陷落柱将会突水成灾。90年代我国出现的大采高和放顶煤开采方法已经被许多煤矿采用，这一方法在带来高产高效的同时也带来了新的水文地质问题，这就是大的顶板冒裂带高度和大的底板破坏深度。在峰峰梧桐庄煤矿的观测发现，4. 5m的开采高度的破坏深度局部已经达到35m以上。煤层底板140m以下奥陶系灰岩含水层的承压水在5.lMPa的压力下导升高度达llOm在和距煤层底板约35m的野青灰岩含水层导通后，又和煤层底板巨厚的破坏带联通而突出。所以，要优化工作面开采设计。一、 优化工作面开采设计原则工作面开采是带压开采最活跃、最主动的一个关键环节，在开采设计时，应掌握以下原则： 1)工作面方向布置与断层走向尽量大角度斜交，工作面推进时应尽量避免断层全部暴露，保证在工作面回采时，断层大部分被压住，减少断层活化，从而实现安全开采。 2)采用全部垮落法管理顶板，控制悬顶长度，必要时应进行强制放顶：改进采煤工艺和管理，提高工作面推进速度，避免或减少底板岩体因蠕变而减低其力学强度的危险。 3)合理优化工作面长度，控制底板采动破坏深度。 其中，以优化工作面长度对控制底板采动破坏深度效果最为显著。 二、选择合理的开采方法和开采参数，减小采动影响 研究结果表明，底板破坏深度与工作面开采宽度和斜长成正比，工作面开采暴露面积越大，采动破坏深度、水压破坏高度也越大。因此，采用小面开采可以降低采动破坏深度、水压破坏高度。当采用特采技术如短壁开采、条带开采、充填开采等开采方法时，支承压力集中程度大大降低，采动破坏深度、水压破坏高度大为减小，隔水能力增强，底板突水灾害就不易发生。但短壁法开采、房柱式开采会降低采煤效率，损失煤炭资源；充填法采煤会增加采煤成本，非万不得已，不宜采用。 1优化工作面斜长，减小底板采动破坏 从底板破坏带实测资料分析中得知，工作面条件基本相似的情况下，工作面长度增加3.3倍，底板破坏深度增加4倍。在底板隔水层厚度不变的前提下，减少工作面长度，可以减少底板破坏深度，增大相对隔水层厚度，增强抗水压能力。 由前文临界隔水层厚度计算可知，本矿井2号煤层隔水岩柱厚度较为稳定，厚度为121.12m。工作面斜长200m时，2号煤底板采动破坏带深度可达29.48m，远小于2号煤层隔水煤岩柱厚度。底板承受奥灰水压值一定的情况下，最大控顶距越大，采动对底板的破坏深度就越大，所以必须采取相应的措施来减小底板采动破坏，以保证带压开采的安全。国内其它矿区还大量采用对拉工作面采煤，减小工作面暴露面，控制采动破坏深度。如淄博矿务局双沟煤矿102采区第一工作面，受煤层底部奥陶纪灰岩含水层的严重威胁，采用斜长140m的长壁工作面开采存在底板突水的危险。为了避免工作面底板突水，实际生产中该矿采用60m及80m的对拉工作面开采，从而保证了工作面的安全生产。2优化开采设计控制悬顶长度，减小底板采动破坏在相同的工艺和水文地质条件下，走向长壁工作面的走向长度改变不会导致矿压的改变。这是因为采后60-70m以外的压力恢复区可表现为采后压力常态区，基本接近采前状态。对于矿压大小起作用的是采后O60m左右的老顶悬顶距及垮落情况。当工作面长度变化时，底板抗水压的能力逐渐降低，在60m以外，抗水压能力减小幅度不明显。3协调工作面开采节奏，减小底板采动破坏除了以上措施外，还可采取以下措施来减少和避免高承压条件下回采工作面的突水：一是采用对拉工作面采煤时，对拉工作面上下面前后错开，其错距应尽量大于基本顶来压步距；二是受水体威胁的近距离煤层联合开采时，上层煤工作面应超前，下层煤工作面拖后，其错距要大于上层煤基本顶来压步距。综上所述，优化工作面开采设计工作必须按照本矿实际，从地质、技术、经济、安全等多方面综合考虑，切不可生搬硬套。第四章 探放水设计第一节 设计思路施工中坚持“有掘必探、先探后掘”制度。 在生产过程中必须采用物探加钻探的方法，查明掘进工作面底板和前方的含水构造（包括陷落柱）、含水层等水体的具体位置，产状等情况，为有效防治水害做好准备。此巷道的探水钻孔设计沿掘进方向的前方、两帮及底板下方布置，布孔原则应能保证在工作面前方、两帮及底板下方方向能起到作用。具体布置钻孔为垂直半扇形，水平扇形，垂直布置五组，其中有一组是垂直于巷道向下的。详见附图1第二节 探放承压水技术要求一、探放水前准备工作1、做好探水地点顶板管理,加强支护。2、在探水前,对供电系统、排水系统检查,确保在探放水期间。供电平稳,水泵运转正常。3、刷帮创建探水工作面,操作台应设在探水眼侧边,预防高压水喷出伤人。4、做好巷道、水沟清理。保证涌水量较大时,巷道水沟沿路不被杂物堵塞,利于畅通。5、准备足够的坑木、黄土(用袋装)、砂袋,以作临时挡水墙和探水工作面加固之用。6、做好各项应急预案工作,如指挥部的建立、受水威胁的工作面联络、确定避灾路线、救护队待命、供电和排水的应急措施等。 二 、施工程序：1、运输：拆开钻机-分件上车-绑紧刹牢-运到指定地点-分件卸车-组装2、安装：道木打底-机箱安放平稳-安装电机、变速箱、立轴-打杠支牢-接电接水-检查各部位是否可靠-可靠安装准备完毕(不可靠进行处理到可靠为止)3、操作：试运转-定位、校正-装钻具-钻进4、结束：整理钻杆、钻机等设备二、承压水探放技术方案1、开孔。开孔前要重新标定钻机定轴方位和倾角,然后用直径42mm钻杆,接直径50mm钻头开孔。钻进部分时停钻,准备下套管。2、注浆固套管。将直径89mm长8m套管前方接直径89mm锯齿钻头,边回转边下入孔内,在进入到最后3m套管时,要缠上海带,在制浆容器内制好水泥浆,要求水泥浆的水灰比为11,容重16kN/m,然后用注浆泵将水泥浆压入套管内,当水泥浆由套管外环间隙返浆到孔口时,停止注浆,用碎布捣实。停23min后再补注1次,如附图2所示。3、试压试验。套管水泥养护一个星期后,用钻头将套管内水泥柱扫清,套管外口接注水试压设备,直到套管内水压达到510MPa时停止测压。如测压时压力值未到510MPa而套管外漏水,需采取探水装置示意注浆加固补救措施。4、孔口管控水。套管经试压没问题后开始探水。套管外端依次用法兰盘连接两通、球形高压闸阀(抗压能力614MPa),然后将直径42mm钻杆接直径50mm钻头下入孔内进行扫孔,并将剩余孔段打透。探出水后,如水压水量不大,继续向前钻进35m后停钻,此时,防喷反压装置应安装完毕,然后由钻机配合慢慢退出钻具。待钻头从球形高压闸阀4内退出以后(附图2),立即关闭闸阀4,稳定10min后记下水压值,然后连接三通、右闸阀及上闸阀(附图3),连接完毕后关闭右闸阀7,打开左闸阀4、上闸阀6进行放水,附图3中箭头指向水流方向。5、双套管结构设计。在放水过程中,由于煤体较软,堵孔、塌孔较为严重,而疏通孔既困难、麻烦,又较危险。为解决放水过程中的堵孔、塌孔难题,可采用双套管放水技术,即在原套管控水的基础上,再下一层套管(附图4)。在安装双套管放水设备时,将直径73mm厚壁套管前端接直径75mm的合金锯齿钻头,用200型钻机带动套管直接钻进,将套管一直下到采空区内2m,将套管固定,并与直径89mm套管连为一体,在直径73mm套管外端接高压球形闸阀(抗压强度614MPa),再用钻杆接直径60mm钻头, 将直径73mm套管内的煤渣扫净,然后进行放水三、观测水量地质技术员要在现场准备好桶、秒表、软管等测水工具，利用体积法或其它方法测定涌水量。技术员要测水过程中每隔1小时测一次涌水量、水温。在测水过程中对水进行取样，送往有资质单位进行化验。四、井下瓦斯检查在探放水过程中安监员、瓦检工必须要在现场对瓦斯进行跟班检查，当工作面瓦斯(或二氧化碳)浓度达到0.5%时，必须停止钻进，及时控制孔口管阀门大小，保证工作面瓦斯浓度低于0.7%进行释放瓦斯，当工作面瓦斯浓度达到1.0%时必须将人员撤至井上并在井口安排警戒，同时汇报调度室，制定措施处理。第五章 承压水条件下施工的安全技术措施 山煤集团蒲县万家庄煤业有限公司现在施工井下二期工程，受奥陶纪灰岩水影响，巷道掘进中为带水压掘进，为了确保巷道安全掘进，我矿根据煤矿安全规程、防治水规定及相关文件要求，并结合实际情况，特制定如下安全技术措施：第一节 成立承压水条件下施工的防治水领导机构 （一）、承压水条件下施工的防治水工作领导组织机构如下： 组 长：于根旺（矿长） 副组长：鲁登科（总工）、 张根元（生产矿长）、 杜家锦（安 全矿长）、刘彦杰（机电矿长）、李国庆（矿长助理） 成 员：马鑫（生产科长）、王江平（安监处长）、杜希民（机电 科长）、 阳光明（通风科长）、郭日元（地测副科长）、 谢太生（调度主任）、王强（供应科长） 办公室设在地测科，办公室主任由地测科副科长郭日元。 （二）、领导组职责： 矿长（于根旺）：是承压水条件下施工的防治水工作领导组组长，负责定期组织召开专题会议，分析掌握采掘情况，确定承压水条件下施工防治水的重点区域和工作面。 总工程师（鲁登科）：实行防治水总工负责制，在组长的领导下，负责承压水条件下施工防治水的技术管理，督促地测部门做好图纸资料簪理、水文地质资料的收集、分析预报、日常探放水技术措施编制及防（隔）水煤柱的设计上报工作，认真分析采掘情况，确定承压水条件下施工的防治水重点区域和工作面，制定承压水条件下施工的防治水措施，为组长及时提供承压水条件下施工的技术资料。 生产矿长（张根元）：在组长的领导下，组织实施承压水条件下生产防治水的方案，督促现场落实有关措施。 机电矿长（刘彦杰）：在组长的领导下，重点落实排水、供电、通讯及其他有关的事项。 安全矿长（杜家锦）：在组长领导下，负责防治水各项措施的监督、把关。 矿长助理（李国庆）：协助组长和总工做好防治水各项工作及通风管理。 （三）、各成员职责： (1)生产科长（马鑫）：参与承压水条件下施工的防治水方案制定，监督施工队组严格执行有关承压水条件下施工的安全技术措施。 (2)地测副科长（郭日元）：负责承压水条件下施工防治水方案的制定，防治水的日常管理，水文地质收集分析预报，探放水措施的编制，充水图的绘制及防（隔）水煤柱的设计上报工作。 (3)安监处长（王江平）：负责防治水各项措施的执行监督情况。 (4)机电科长（杜希民）：应保证井下各排水点双回路供电正常，防止越级项闸，并定期检查排水设备的运转情况，保证排水能力和管路达标，设备正常，并做好日常维护保养。 (5)调度主任（谢太生）：负责做好与防治水有关的工作安排，并监督工程完戌情况，做好各单位的协调工作。 (6)通风